二聚物P(VDF-TrFE)薄膜可穿戴柔性压电材料与能量收集器(3)

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(a)PZT薄膜从刚性蓝宝石衬底被转移到柔性PET衬底上的过程。(b)PMN-PT利用Ni薄膜的残余应力从大块衬底向柔性衬底转移的过程。

能源是人类科学永恒的主题之一，纳米压电材料由于其能量转换的性能可以作为自我供电的传感装置被投入使用。各种各样的机械能被成功地证明了可以产生电力，如风力发电，水波振动，超声波和人体运动等。许多压电材料，如PZT、PMN-PT、BaTiO3等，被用作制备压电能量收集器，它能够替代传统再充电电池，为低电流、电压输出要求的装备发电提供可持续动力。大量的文献对柔性压电材料作为能量收集器进行了探索。

Geon-Tae Hwang等人[12]将PMN-PT单晶减薄至8.4μm，并从刚性衬底转移到PET上制成了柔性压电能量收集器(纳米发电机)。将用之不竭的生物力学能量，如心脏运动，肌肉收缩和扩张以及血液循环转换成电能。当柔性PMN-PT刺激装置周期性的屈伸时，由于从弯曲动作中收集的能量(2.7μJ)比维持电刺激的能量阀值(1.1μJ)高，小鼠被观察到自然的心跳。该结果显示柔性压电能量收集器在生物医疗上，尤其是心脏功能正常化上的发展潜力。Aidin Delnavaz和Jeremie Voix[13]提出了压电纤维复合材料(PFC)下巴带从颌运动采集能量的头戴式装置的概念(图1.4a)。佩戴该装置的人必须调整皮带松紧合适，保持皮带紧张。张开嘴延伸侧带，产生拉伸应力，电荷流过电阻负载产生电路中的电流。闭上嘴后系统返回初始位置并产生同样大小的反向电流。Min Zhang等[14]提出由钛酸钡纳米线和PVC聚合物构成复合纤维结构，该PVC聚合物制成的纤维具有足够的灵活性执行编织过程。BaTiO3纳米线则增强了其压电性能。通过人臂弯曲，手肘处的纳米发电机可以产生足以驱动一个液晶显示器的输出电流(24 nA)和输出电压(1.9V)。Woo-Suk Jung等人[15]将聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，后简称PVDF)收集器制成弯曲的形状置于鞋子和手表中(图1.4b)，输出信号被连接到一个全波桥式二极管芯片。结果显示，该弯曲发电机较一般压电发电机性能更优异。通过点击表带，鞋垫发电机产生平均输出电压为~14V，平均输出电流为18mA，而手表发生器产生的平均输出电压为~22V和平均输出电流为50μA，可穿戴电子设备的工作时间将明显延长。